CN113295312A - 基于bim的桥梁施工应力检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于BIM的桥梁施工应力监测方法和系统，系统包括无人机、无线通信模块、控制中心模块、综合预警模块、不同颜色的LED灯；所述无人机上设置有三维激光扫描仪、光纤光栅传感器和RFID读卡器；所述三维激光扫描仪用于对所述监测区域内的施工桥梁进行三维点云成像数据采集；所述光纤光栅传感器用于采集所述监测区域内的施工桥梁每个监测点于不同温度下的波长偏移、监测开始时监测点的基波长。本发明提供的系统和方法无需在每个监测点都设立应变仪等测量传感器进行数据监控，且能对被监测桥梁的实时全景进行全方位掌握，温度对于桥梁施工过程中的水泥裂缝应力改变进行有效的计算统计，然后根据不同级别的警示需求而预警报警。

Description

基于BIM的桥梁施工应力检测方法及系统

技术领域

本发明属于桥梁施工技术领域，具体涉及基于BIM的桥梁施工应力检测方法和系统。

背景技术

桥梁在经济发展中起到重要的保障作用，是社会进步的要求，是国家交通基础设施的咽喉，在整合资源、提高资源的有效配置、拉动国民经济增长的发展中起到了重要作用。但是，桥梁的安全问题会因为桥梁的各种主客观因素的影响，而显现出更多方面的安全问题，对于桥梁中日渐突出的安全问题，加强桥梁的安全评估管理是十分重要的。

在我国的工业生产活动中，大跨径桥梁建筑在我国具有很好的应用，并且为民用公共建筑提供了便捷，使得与运输相关的行业(比如物流业、客运、矿物运输等)都缩短了路程，进一步提高了效率，因此，各省份的市政部门均十分重视大跨径桥梁的建造，大跨径桥梁的建造环节中，施工部分最为重要。在大跨径桥梁的施工环节中，除去人为等客观因素会影响桥梁建筑的质量，还有不确定性未知因素，比如温度、风向、外界酸碱度、酸碱度等均对大跨径桥梁建筑也会有所影响。但是，现有技术中的桥梁施工应力监测系统都是需要在每个监测点设立静力水准仪、应变仪等测量传感仪器进行数据监测，且不能对被监测桥梁的实时全景进行全方位掌握，温度对于桥梁施工过程中的水泥裂缝应力改变也缺乏良好的计算统计方法和不同级别的预警报警功能，因此急需一种桥梁施工应力监测方法和系统。

发明内容

本发明针对上述缺陷，提供一种无需在每个监测点都设立应变仪等测量传感器进行数据监控，且能对被监测桥梁的实时全景进行全方位掌握，温度对于桥梁施工过程中的水泥裂缝应力改变进行有效的计算统计，然后根据不同级别的警示需求而预警报警的基于BIM的桥梁施工应力监测方法和系统。

本发明提供如下技术方案：基于BIM的桥梁施工应力监测方法，包括以下步骤：

S1：在施工的桥梁上均匀分布若干个监测点，每个监测点上设置有RFID标签，无人机上设置的RFID读卡器识别并阅读所述每个监测点的RFID标签后，采用设置于所述无人机上的三维激光扫描仪采集所述每个监测点的桥梁点云图像信息数据，设置于无人机上的光纤光栅传感器采集所述每个监测点的不同温度 T下的波长偏移、监测开始时初始温度S下的基波长；

S2：无线通信模块将所述S1步骤采集到的数据传输至控制中心模块内；

S3：所述控制中心模块内的光纤光栅解调模块对所述光纤光栅传感器所采集到的数据信号解调，并输入至所述控制中心模块内的统计分析模块；

S4：所述统计分析模块统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况，一旦发现异常，向所述综合预警模块发出指令，综合预警模块根据指令发出预警信号；

S5：综合预警模块将异常数据与预先设置的阈值进行比较，向不同颜色的 LED灯发出亮灯指令，通过发出不同颜色LED灯进行不同预警提示。

进一步地，所述S4步骤中，所述统计分析模块统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况通过构建应变力-温度机械应力变Δε_M计算模型实现，所述Δε_M计算模型公式如下：

其中，所述Δε_M为温度导致的机械应变力变化，进而导致桥梁某一监测点处的应力变化值；所述Δλ为所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点的波长偏移，所λ₀为监测开始时所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点的基波长；进而，所(Δλ/λ₀)_s为监测开始时所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点于初始温度S下的波长偏移率，所(Δλ/λ₀)_T为所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点于温度T下的波长偏移率；所κ_ε为温度导致的机械应变力变化，进而导致桥梁所述监测点的应力改变的标准系数；所述

为温度为T时的温度改变导致的所述监测点的应力改变的标准系数；所述α_conc为施工桥梁的水泥所导致的光波折射率变化系数。

进一步地，所述S5步骤中若监测数据介于最小阈值与预警阈值之间，说明监测数据正常，则所述综合预警模块向绿色LED灯发出亮灯指令，绿色LED灯发出绿色光；

若监测数据达到预警阈值，表明此时此处监测点达到预警值，则所述综合预警模块向黄色LED灯发出亮灯指令，黄色LED灯发出黄色光，向施工人员提出警示，若要保证施工正常运行则要立刻采取措施，避免出现安全事故；

若监测数据达到预警阈值大于最大阈值，则所述综合预警模块向红色LED 灯发出亮灯指令，红色LED灯发出红色光，同时综合预警模块及时通知相应的管理人员，此刻管理人员可精准定位故障发生位置，采取对应措施进行抢救性修补，同时查明原因，采取纠偏预案。

进一步地，所述通知相应的管理人员的方法包括向预设手机号码发送报警短信，向管理人员发送邮件或直接向所述管理人员打电话。

本发明还提供采用上述方法的基于BIM的桥梁施工应力监测系统，包括无人机、无线通信模块、控制中心模块、综合预警模块、不同颜色的LED灯。

进一步地，所述无人机上设置有三维激光扫描仪、光纤光栅传感器和RFID 读卡器；

所述三维激光扫描仪用于对所述监测区域内的施工桥梁进行三维点云成像数据采集；

所述光纤光栅传感器用于采集所述监测区域内的施工桥梁每个监测点分别于监测开始时的初始温度S以及不同温度T下的波长偏移、监测开始时所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点的基波长；

所述RFID读卡器用于读取设置于所述每个监测点上的RFID标签，进而对该监测点的数据进行采集或成像。

进一步地，所述控制中心模块包括光纤光栅解调模块、统计分析模块；

所述光纤光栅解调模块用于对所述光纤光栅传感器所采集到的数据信号解调，并输入至所述统计分析模块用于统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况，一旦发现异常，超出阈值，向所述综合预警模块发出指令，综合预警模块根据指令发出预警信号；

所述统计分析模块还用于接收所述三维激光扫描仪扫描得到的图像信号，并进行扫尾数据成像，生成所监测区域内的施工桥梁的三维图像。

进一步地，不同颜色的LED灯包括红色LED灯、绿色LED灯和黄色LED 灯。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的基于BIM的桥梁施工应力监测方法和系统采用了BIM技术，BIM系统具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性、可预测性和可控制性等特点。在施工阶段，利用BIM技术，可使工程参与各方提前对施工过程中的重、难点进行模拟和演练，能掌握施工过程中的各项技术要点，有利于做好对工程各质量控制点的严格把控，实现了对施工的安全评估。

2、通过控制中心模块内的统计分析模块构建建应变力-温度机械应力变化Δε_M计算模型，可实现对施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况计算，可在一定范围内对不同温度T下的应变力变化有大致了解。通过监测重点部位，同时对计算结果较大的位置进行重点监测，当出现异常时能及时发出预警信息。其中：监测平台可结合BIM模型和统计分析模块进行实时不同温度所带来的应力动态变化值计算分析，发挥BIM技术下监测平台相对于传统监测所具备的独特优势。

3、实时监测数据预警是基于BIM的桥梁施工应力监测系统的核心，本发明提供的基于BIM的桥梁施工应力监测将综合预警模块与和具有基于BIM统计分析模块的控制中心模块一对一绑定，当控制中心模块计算得到的数据出现异常时可快速定位异常部位，便于快速应急决策。根据实际工程特点，管理人员设置好不同监测项目的预警阈值、最大阈值和最小阈值，系统则可确定风险等级，将不同状态对应到BIM模型中相应部位。3种颜色代表3种情况：绿色为安全；黄色为预警；红色为危险。通过实时监测数据预警可使项目参建方能一目了然地了解各个部位的工作状态及风险情况，做好风险预警。监测仪器采集的监测数据一旦有异常，则监测平台会向管理人员发送报警信息。

4、通过设置有三维激光扫描仪的无人机可以实时对无人机所采集到的被监测施工桥梁的点云图像数据采集，然后通过无人通信模块传输至控制中心模块，控制中心模块对数据进行计算和处理后可以实时在电脑上构建出被监测施工桥梁的三维立体图像，更加有效高效率地提高了桥梁施工过程中的应力图像数据监测情况的掌握，借助于三维激光扫描的快速测量和可视化特点，为数字化管理和施工桥梁监测提供了技术性突破。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的基于BIM的桥梁施工应力监测方法流程示意图；

图2为本发明提供的基于BIM的桥梁施工应力监测系统结构示意图。

具体实施例方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的基于BIM的桥梁施工应力监测方法的流程图，方法包括以下步骤：

S1：在施工的桥梁上均匀分布若干个监测点，每个监测点上设置有RFID标签，无人机上设置的RFID读卡器识别并阅读每个监测点的RFID标签后，采用设置于无人机上的三维激光扫描仪采集每个监测点的桥梁点云图像信息数据，设置于无人机上的光纤光栅传感器采集每个监测点的不同温度T下的波长偏移、监测开始时初始温度S下的基波长；

S2：无线通信模块将S1步骤采集到的数据传输至控制中心模块内；

S3：控制中心模块内的光纤光栅解调模块对光纤光栅传感器所采集到的数据信号解调，并输入至控制中心模块内的统计分析模块；

S4：统计分析模块统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况，一旦发现异常，向综合预警模块发出指令，综合预警模块根据指令发出预警信号；

S5：综合预警模块将异常数据与预先设置的阈值进行比较，向不同颜色的 LED灯发出亮灯指令，通过发出不同颜色LED灯进行不同预警提示。

S4步骤中，统计分析模块统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况通过构建应变力-温度机械应力变化Δε_M计算模型实现，Δε_M计算模型公式如下：

其中Δε_M为温度导致的机械应变力变化，进而导致桥梁某一监测点处的应力变化值Δλ为光纤光栅传感器监测得到的监测点的波长偏移λ₀为监测开始时光纤光栅传感器监测得到的监测点的基波长；进而，(Δλ/λ₀)_s为监测开始时光纤光栅传感器监测得到的监测点于初始温度S下的波长偏移率，(Δλ/λ₀)_T为光纤光栅传感器监测得到的监测点于温度T下的波长偏移率；κ_ε为温度导致的机械应变力变化，进而导致桥梁监测点的应力改变的标准系数；

为温度为T时的温度改变导致的监测点的应力改变的标准系数；α_conc为施工桥梁的水泥所导致的光波折射率变化系数。

S5步骤中若监测数据介于最小阈值与预警阈值之间，说明监测数据正常，则综合预警模块向绿色LED灯发出亮灯指令，绿色LED灯发出绿色光；

若监测数据达到预警阈值，表明此时此处监测点达到预警值，则综合预警模块向黄色LED灯发出亮灯指令，黄色LED灯发出黄色光，向施工人员提出警示，若要保证施工正常运行则要立刻采取措施，避免出现安全事故；

若监测数据达到预警阈值大于最大阈值，则综合预警模块向红色LED灯发出亮灯指令，红色LED灯发出红色光，同时综合预警模块及时通知相应的管理人员，此刻管理人员可精准定位故障发生位置，采取对应措施进行抢救性修补，同时查明原因，采取纠偏预案。

通知相应的管理人员的方法包括向预设手机号码发送报警短信，向管理人员发送邮件或直接向管理人员打电话。

实施例2

如图2所示，为本发明提供的采用实施例1提供的方法的基于BIM的桥梁施工应力监测系统，包括无人机、无线通信模块、控制中心模块、综合预警模块、不同颜色的LED灯。

无人机上设置有三维激光扫描仪、光纤光栅传感器和RFID读卡器；

三维激光扫描仪用于对监测区域内的施工桥梁进行三维点云成像数据采集；

光纤光栅传感器用于采集监测区域内的施工桥梁每个监测点分别于监测开始时的初始温度S以及不同温度T下的波长偏移、监测开始时光纤光栅传感器监测得到的监测点的基波长；

RFID读卡器用于读取设置于每个监测点上的RFID标签，进而对该监测点的数据进行采集或成像。

控制中心模块包括光纤光栅解调模块、统计分析模块；

光纤光栅解调模块用于对光纤光栅传感器所采集到的数据信号解调，并输入至统计分析模块用于统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况，一旦发现异常，超出阈值，向综合预警模块发出指令，综合预警模块根据指令发出预警信号；

统计分析模块还用于接收三维激光扫描仪扫描得到的图像信号，并进行扫尾数据成像，生成所监测区域内的施工桥梁的三维图像。

不同颜色的LED灯包括红色LED灯、绿色LED灯和黄色LED灯。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.基于BIM的桥梁施工应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在施工的桥梁上均匀分布若干个监测点，每个监测点上设置有RFID标签，无人机上设置的RFID读卡器识别并阅读所述每个监测点的RFID标签后，采用设置于所述无人机上的三维激光扫描仪采集所述每个监测点的桥梁点云图像信息数据，设置于无人机上的光纤光栅传感器采集所述每个监测点的不同温度T下的波长偏移、监测开始时初始温度S下的基波长；

S2：无线通信模块将所述S1步骤采集到的数据传输至控制中心模块内；

S3：所述控制中心模块内的光纤光栅解调模块对所述光纤光栅传感器所采集到的数据信号解调，并输入至所述控制中心模块内的统计分析模块；

S4：所述统计分析模块统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况，一旦发现异常，向所述综合预警模块发出指令，综合预警模块根据指令发出预警信号；

S5：综合预警模块将异常数据与预先设置的阈值进行比较，向不同颜色的LED灯发出亮灯指令，通过发出不同颜色LED灯进行不同预警提示。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁施工应力监测方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述统计分析模块统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况通过构建应变力-温度机械应力变化Δε_M计算模型实现，所述Δε_M计算模型公式如下：

其中，所述Δε_M为温度导致的机械应变力变化，进而导致桥梁某一监测点处的应力变化值；所述Δλ为所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点的波长偏移，所述λ₀为监测开始时所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点的基波长；进而，所述(Δλ/λ₀)_S为监测开始时所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点于初始温度S下的波长偏移率，所述(Δλ/λ₀)_T为所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点于温度T下的波长偏移率；所述κ_s为温度导致的机械应变力变化，进而导致桥梁所述监测点的应力改变的标准系数；所述

为温度为T时的温度改变导致的所述监测点的应力改变的标准系数；所述α_conc为施工桥梁的水泥所导致的光波折射率变化系数。

3.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁施工应力监测方法，其特征在于，所述S5步骤中若监测数据介于最小阈值与预警阈值之间，说明监测数据正常，则所述综合预警模块向绿色LED灯发出亮灯指令，绿色LED灯发出绿色光；

若监测数据达到预警阈值，表明此时此处监测点达到预警值，则所述综合预警模块向黄色LED灯发出亮灯指令，黄色LED灯发出黄色光，向施工人员提出警示，若要保证施工正常运行则要立刻采取措施，避免出现安全事故；

若监测数据达到预警阈值大于最大阈值，则所述综合预警模块向红色LED灯发出亮灯指令，红色LED灯发出红色光，同时综合预警模块及时通知相应的管理人员，此刻管理人员可精准定位故障发生位置，采取对应措施进行抢救性修补，同时查明原因，采取纠偏预案。

4.根据权利要求3所述的基于BIM的桥梁施工应力监测方法，其特征在于，所述通知相应的管理人员的方法包括向预设手机号码发送报警短信，向管理人员发送邮件或直接向所述管理人员打电话。

5.根据权利要求1-4任一所述方法的基于BIM的桥梁施工应力监测系统，其特征在于，包括无人机、无线通信模块、控制中心模块、综合预警模块、不同颜色的LED灯。

6.根据权利要求5所述的基于BIM的桥梁施工应力监测系统，其特征在于，所述无人机上设置有三维激光扫描仪、光纤光栅传感器和RFID读卡器；

所述三维激光扫描仪用于对所述监测区域内的施工桥梁进行三维点云成像数据采集；

所述光纤光栅传感器用于采集所述监测区域内的施工桥梁每个监测点于不同温度T下的波长偏移、监测开始时所述光纤光栅传感器监测得到的所述监测点的基波长；

所述RFID读卡器用于读取设置于所述每个监测点上的RFID标签，进而对该监测点的数据进行采集或成像。

7.根据权利要求6所述的基于BIM的桥梁施工应力监测系统，其特征在于，所述控制中心模块包括光纤光栅解调模块、统计分析模块；

所述光纤光栅解调模块用于对所述光纤光栅传感器所采集到的数据信号解调，并输入至所述统计分析模块用于统计分析施工桥梁的实时不同温度下的应力动态变化情况，一旦发现异常，超出阈值，向所述综合预警模块发出指令，综合预警模块根据指令发出预警信号；

所述统计分析模块还用于接收所述三维激光扫描仪扫描得到的图像信号，并进行扫尾数据成像，生成所监测区域内的施工桥梁的三维图像。

8.根据权利要求6所述的基于BIM的桥梁施工应力监测系统，其特征在于，不同颜色的LED灯包括红色LED灯、绿色LED灯和黄色LED灯。

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